Inter-satellite coordinated impulsive collision avoidance strategies

The increasing number of space debris in the near-Earth environment poses significant challenges to the safety and sustainability of space operations. Developing effective collision avoidance strategies becomes fundamental as the probability of collisions between active satellites and debris grows. Moreover, the presence of more and more constellations raises the need for coordinated collision avoidance manoeuvres (CAMs) in active vs active scenarios, which is the focus of this thesis. This research delves into numerical and analytical impulsive CAM methods to devise robust strategies with three different target parameters. Firstly, CAM is solved by formulating it as a Non-Linear Programming (NLP) problem with the final constraint acting on the 2D-3D Miss Distance (MD) or the Probability of Collision (PoC) at the Time of Closest Approach (TCA). The numerical method aims at finding the optimal impulses inside a predefined boundary starting from the solution of the non-coordinated problem. The analytical method, on the other hand, provides a solution through mathematical derivation. Furthermore, this thesis offers an in-depth evaluation of the real TCA, including the calculation of the shift in the closest approach point induced by the manoeuvre and the assessment of relevant constraints at that specific point. Both numerical and analytical solutions are then enhanced by incorporating the TCA update within the optimization process to ensure effective and efficient CAMs in realistic scenarios. The primary outcomes of this study include the development of a comprehensive pipeline for implementing coordinated CAMs, tested on different orbital regimes and initial conditions. The results underscore the computational efficiency of the analytical method, capable of maintaining a similar level of accuracy with respect to the numerical one while being ten times less taxing. Moreover, the inclusion of the TCA update process into the CAM solution pipeline has proven to be beneficial in ensuring that the MD or PoC comply with the imposed values. This research contributes valuable insights into the field of space safety, offering practical solutions to the growing challenge of space debris management and more specifically coordinated CAMs. The developed methodologies provide a starting point for enhanced collision avoidance capabilities, ensuring the long-term sustainability of space activities and the prosperity of inter-satellite collaboration.

L'aumento dei detriti spaziali nella zona vicino alla Terra pone significative sfide alla sicurezza e alla sostenibilità delle operazioni spaziali. Lo sviluppo di strategie efficaci per evitare le collisioni diventa fondamentale all'aumentare della probabilità di collisioni tra satelliti attivi e detriti. Inoltre, la maggiore presenza di costellazioni incrementa la necessità di manovre di anti-collisione (CAM) coordinate in scenari attivo vs attivo, che sono l'obiettivo di questa tesi. Questa ricerca esplora metodi numerici e analitici per ideare strategie robuste di CAM impulsive con tre diversi parametri impostati come obiettivo. In primo luogo, la CAM viene risolta formulandola come un problema di Non-Linear Programming (NLP) con il vincolo finale che agisce sulla Miss Distance (MD) 2D-3D o sulla Probabilità di Collisione (PoC) al Time of Closest Approach (TCA). Il metodo numerico si concentra sul trovare gli impulsi ottimali all'interno di limiti definiti a partire dalla soluzione del problema non coordinato. Il metodo analitico, invece, fornisce una soluzione attraverso la derivazione matematica. Inoltre, questa tesi offre una valutazione approfondita del TCA reale, inclusi il calcolo dello spostamento del punto di contatto dovuto alla manovra e la valutazione dei vincoli rilevanti in quel punto specifico. Sia la soluzione numerica che quella analitica vengono quindi migliorate incorporando l'aggiornamento del TCA nel processo di ottimizzazione per garantire delle manovre efficienti ed efficaci in scenari realistici. I risultati principali di questo studio includono lo sviluppo di una pipeline completa per l'implementazione di CAM coordinate, testata in diversi regimi orbitali e condizioni iniziali. I risultati sottolineano l'efficienza computazionale del metodo analitico, in grado di mantenere un livello di precisione simile rispetto a quello numerico pur impiegando in media circa dieci volte meno tempo. Inoltre, l'inclusione del processo di aggiornamento del TCA nella pipeline della soluzione della CAM si è rivelata benefica nel garantire che i valori imposti di MD o PoC siano rispettati. Questa ricerca contribuisce al campo della sicurezza spaziale, offrendo soluzioni pratiche alla crescente sfida della gestione dei detriti spaziali e più specificamente delle CAM coordinate. Le metodologie sviluppate offrono un punto di partenza per migliorare le capacità di evitamento delle collisioni, garantendo la sostenibilità a lungo termine delle attività spaziali e il prosperare della collaborazione tra satelliti.